KR100410961B1 - 멀티 칩 발광다이오드를 이용한 프로젝션 광원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로젝션 시스템에 관한 것으로서 특히, 리어 프로젝션 디스플레이(Rear Projection Display)의 광원으로써 쓰이는 고압 수은 광원 대신에 정방향 부하가 가해짐에 따라 전자가 에너지 레벨이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동시 해당 에너지의 차에 해당하는 부분에 대응하는 파장의 빛을 발하여 R, G, B 광원중 어느 하나로 사용되는 임의의 반도체가 임의의 소정 영역내에 일정 패턴으로 배열되어 하마의 칩을 형성하고 발광빛은 백색광이 되도록 하는 멀티 칩 발광다이오드를 이용한 프로젝션 광원을 제공하여 백색광원의 효과를 얻으면서도 저 전력 소비를 실현할 수 있으며 고 콘트라스트(contrast)를 실현 할 수가 있도록 한다.

Description

멀티 칩 발광다이오드를 이용한 프로젝션 광원{Light of Rear Projection Display using Multi-Chip LED}

본 발명은 프로젝션 시스템에 관한 것으로서 특히, 리어 프로젝션 디스플레이(Rear Projection Display)의 광원으로써 쓰이는 고압 수은 광원 대신에 발광다이오드(LED) 칩을 여러 개 혼합하는 멀티칩(Multi-Chip방식을 채택하여서 백색광원의 효과를 얻으면서도 저 전력 소비를 실현할 수 있으며 고 콘트라스트(contrast)를 실현 할 수가 있도록 하는 멀티 칩 발광다이오드를 이용한 프로젝션 광원에 관한 것이다.

일반적으로, 현대인들은 개인적으로 여유나 레크레이션을 즐기려는 성향이 증대되면서 개인의 자유 공간에서 영화나 기타 영상물을 시청하려는 성향이 증가하고 있고, 그러한 성향에 맞추어 영상의 디스플레이 장치들의 화면 혹은 스크린은 점차 대형화되어 지고 있다.

이러한 화면 혹은 스크린의 대형화 추세에 맞추어 근래 개발되어진 기술이 영사기의 개념이 도입되어진 프로젝션 기술을 이용한 데이터 프로젝터, 프로젝션 TV, 프로젝션 모니터 등등에 사용되는 광학 프로젝션 엔진의 구성을 첨부한 도 1과 도 2를 참조하여 간략히 살펴보기로 한다.

첨부한 도 1은 구성 요소를 설명하기 위해 광학 프로젝션 엔진의 측면에서 바라보는 경우의 예시 도로써, 리어 프로젝션 모니터(RPM)의 기본원리는 고해상도(SXGA : 1280*1024)의 마이크로 엘시디(μ-LCD)와 고출력 램프를 사용해 밝고 선명한 이미지를 스크린에 투사시키고, 사용자는 스크린 반대편에서 스크린을 통과한 이미지를 보게 되는 것이다.

도 1에서 각 부품의 명칭 및 역할은 다음과 같다.

먼저, 램프(lamp)는 크게 두 부분으로 나눌 수 있다, 한 부분은 빛을 발산하는 벌브(bulb)이고, 다른 한 부분은 벌브(bulb)에서 발산된 빛을 반사시키는 리플렉터(reflector)이다. 이때, 램프는 상기 리플렉터의 형태에 따라 파라보블릭 램프(parabolic lamp)와 엘립틱 램프(elliptic lamp)로 분류된다.

각 램프의 특징은, 파라보블릭 램프는 벌브에서 발산된 빛이 리플렉터를 만나고, 그 리플렉터에서 반사된 빛은 평행광이 되는 특징을 가지고 있다. 또한, 엘립틱 램프는 벌브에서 발산된 빛이 한 점에서 초점을 맺도록 리플렉터가 설계되어 있다. 결국, 램프는 전체 시스템의 광원으로서 램프에서 나오는 빛의 양에 따라 전체 시스템의 밝기가 정해진다.

한편, 상기 램프(lamp)에서 발산되는 빛은 UV와 가시광선, IR의 세 부분으로 나눌 수 있다. 그 중 시스템에서 필요로 하는 파장 영역은 가시광선 파장 대역이다. UV 파장 대역의 빛은 시스템의 광학부품, 플라스틱 렌즈와 다른 광학부품, 편광 프리즘 그리고 LCD의 성능을 열화시킬 수 있기에 이 파장 대역의 빛은 제거되어야 한다.

또한, IR 파장 대역의 빛은 직접적으로 부품에 손상을 가하지는 않지만 광학 부품이 IR 파장 대역의 빛을 흡수할 경우 광학부품의 온도가 상승하게 되어 제 성능을 내지 못하게 된다.

따라서, 히트 글레스(heat glass)는, UV와 IR 파장대의 투과율이 가시광선 파장대의 투과율 보다 상대적으로 작은 필터로서 사용하지 않는 파장대의 빛을 램프 쪽으로 반사시켜 주는 역할을 한다.

또한, 광 파이프(light pipe)를 사용하는 이유는 램프에서 나오는 빛은 광의 인텐시티(intensity)가 균일하지 않아 광축 방향에서의 빛의 강도는 강하고, 광축에서 멀어질수록 빛의 강도는 점점 약해지게 된다.

이런 빛이 LCD에 반사되어 나오면 스크린에서 이미지의 밝기가 균일하지 않기 때문에 램프에서 나오는 균일하지 않은 빛을 가능한 최대한으로 균일하게 만들기 위해 광 파이프를 사용하게 된다.

또한, 릴레이 렌즈(relay lens) 1,2는 상기 광 파이프를 통과한 균일한 빛을 원하는 위치에 접속시키기 위해 사용되는 렌즈이고, 미러(mirror)는 전체 시스템의 효율적인 공간 활용을 위해 빛의 경로를 변경시켜 주는 역할을 한다.

또한, 칼라코너로 표현되어 있는 편광 프리즘(polarizer)은, 램프에서 나오는 빛은 P파와 S파로 나눌 수 있는데, 이미지 소스인 LCD에 입사되는 빛은 단일 편광의 빛이어야 하기 때문에 P파 또는 S파 중 한 편광은 제거되어야 한다. 이를 위해 편광 프리즘이 사용된다.

따라서, 상술한 바와 같은 시스템에서는 백색광원으로부터의 빛을 색 분해용 다이크로익(Dichroic) 수단을 이용해 RGB로 분해 후 이를 각각의 RGB 디스플레이 패널에 반사 후 다시금 재 합성하는 방식을 취하여 높은 광 효율과 안정된 응답속도를 얻도록 하였다.

이러한 방식을 채택하고 있기 때문에 생성된 이미지는 투사렌즈를 거쳐 수 개의 반사 미러(Mirror)에 의해 반사된 후 스크린(Screen)에 결상 된다.

따라서 광원으로 사용되는 램프는 고효율을 요구하는 반사경(Reflector)이 필수적으로 필요하게 된다. 또한 그만큼의 고효율을 낼 수 있는 램프는 고열을 동반하기 때문에 이 열을 제거할 수 있는 냉각 팬 또한 필수적으로 요구되는 사항이라 할 수 있으므로 인해 높은 소비전력을 요구하며, 수은 램프의 수명이 다 하거나 기능이 저하가 되면 전체적인 디스플레이의 결함을 발생할 수 있다는 문제점이 제시되었다.

상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 리어 프로젝션 디스플레이(Rear Projection Display)의 광원으로써 쓰이는 고압 수은 광원 대신에 발광다이오드(LED) 칩을 여러 개 혼합하는 멀티칩(Multi-Chip방식을 채택하여서 백색광원의 효과를 얻으면서도 저 전력 소비를 실현할 수 있으며 고 콘트라스트(contrast)를 실현 할 수가 있도록 하는 멀티 칩 발광다이오드를 이용한 프로젝션 광원을 제공하는 데 있다.

도 1은 구성 요소를 설명하기 위해 광학 프로젝션 엔진의 측면에서 바라보는 경우의 예시도.

도 2는 개별적인 LED소자를 배열함에 따라 발생되는 문제점 중 광확산각의 문제점을 설명하기 위한 예시도.

도 3은 광의 확산에 따른 선형 편광의 문제점을 설명하기 위한 예시도.

도 4는 본 발명에 따라 하나의 LED 칩내에 RGB발광소자가 멀티로 배열되어진 예를 설명하기 위한 예시도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티 칩 발광다이오드를 이용한 프로젝션 광원의 특징은, 정방향 부하가 가해짐에 따라 전자가 에너지 레벨이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동시 해당 에너지의 차에 해당하는 부분에 대응하는 파장의 빛을 발하여 R, G, B 광원중 어느 하나로 사용되는 임의의 반도체가 임의의 소정 영역내에 일정 패턴으로 배열되어 하마의 칩을 형성하고 발광빛은 백색광이 되는 데 있다.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에 적용되는 기술적 사상을 살펴보면, 일반적으로 프로젝션 시스템에서 백색광을 사용하는 이유는 색분리 합성계에서 색을 분리하고 합성하기 위한 빛의 색은 RGB이기 때문에 이 RGB가 균등하게 분포하는 경우의 빛이 갖는 색이 백색광이기 때문인 데, 전술하였던 종래 기술의 문제점으로 지적되고 있는 고전력 소모 및 고열발생 그리고 램프의 성능저하가 시스템 전체의 성능저하를 가져올 수 있다는 문제점이 발생되는 그 근본 원인은 발광소자로 사용되는 램프가 아날로그 소자이기 때문이다.

즉, 아날로그 소자인 램프는 그 성능이 일정하게 유지되는 시점과 하강하는 시점간의 변곡점이 있기 때문에 그 성능의 저하를 시스템의 성능과 동일하게 유지하기 어렵다는 한계성, 그리고 고열의 발열성과 고전력 소비성을 갖는 것이다.

이때, 전술한 바와 같이 백색광을 발광시키는 램프를 사용하는 이유가 실질적으로는 RGB 각각의 빛을 이용하기 위함이라면, RGB 각각의 빛을 발광하는 발광수단을 이용해 그 분포를 균일하게 유지하면 역시 백색광이 만들어질 수 있으며, 만약 상기 RGB 각각의 빛을 발광하는 발광수단을 디지털 소자를 이용한다면 발광소자의 성능을 일정하게 유지하면서도 저전력 소비성 및 저열 발생을 이룰 수 있을 것이라는데 착안한 것이다.

따라서 광원으로써의 기능을 만족하는 광원을 LED로 제작함으로써 램프의 기능을 대체 및 보완 가능하다.

여기서 LED의 발광원리는 특정 반도체에 정방향 부하를 가할 경우 전자가 에너지 레벨이 높은 곳(Conduction Band)에서 낮은 곳(Valance Band)으로 이동할 때 그 에너지의 차에 해당하는 부분에 대응하는 파장의 빛을 발한다.

이때 에너지의 차이가 크면 파장이 긴광(적색)을 발광하고 적으면 파장이 짧은 광(청색)을 발한다. 따라서 각각의 R,G,B를 따로 구현할 수 있으며 이를 조합하여서 백색 광원을 제작하는 것 또한 가능하다.

또한 백색 광원을 조합하기 위한 방법들은 R,G,B 각각의 LED를 조합하는 방식과 형광체를 이용하여서 조합하는 방법이 있으나 효율이 좋지가 않으므로 우리가 구현하려는 방식은 멀티 칩 방식을 채택하여서 하나의 LED에서 백색 광원을 구현하려는 것이다.

이로 인한 수명 연장 및 높은 콘트라스트를 구현 수 있으며 부가적으로 냉각 팬 등의 부가적인 요소를 제거할 수 있는 기회가 되겠다.

그러므로, 본 발명은 리어 프로젝션 엔진의 광원으로써 쓰이는 고압수은램프를 대용할 수 있는 백색광원을 LED를 이용하여 구현하려는 것으로써, 각각의 LED를 온 보드 에리어(ON BOARD ARRAY)를 통해서 원하는 칼러를 구현하는 방법이 있으나 이러한 방법은 각각의 LED 크기를 고려해야 하는 단점이 있으며, 또한 각각의 LED의 크기 때문에 첨부한 도 2에서와 같이 빛의 빔 확산 각(BEAM DIVERGENCE ANGLE)을 고려해야하며 더욱이 첨부한 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 백색 평행광을 얻는데 문제점 등이 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명은 첨부한 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 백색 광원으로써 LED를 이용하여 구현하려는 방식은 하나의 LED에 여러 개의 CHIP를 어레이시킴으로써 LED의 크기나 광원으로써의 성능이라고 할 수 있는 선형 편광(LINEAR POLARIZATION)을 향상시킬 수 있다.

즉, 기존의 LED가 하나의 칩에 의존하는 것이라면 멀티칩 방식은 하나의 LED안에 RED파장을 내는 칩, GREEN파장을 내는 칩, BLUE파장을 내는 칩을 백색 광원이 될 수 있도록 어레이시켜서 하나의 LED안에 여러 개의 칩이 존재하여서 백색 광원을 낼 수 있도록 조합하는 것이다. 이때 정열 방식은 병렬 어레이를 사용하여서 각 칩의 구동을 원할하게 할 수 있도록 한다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 멀티 칩 발광다이오드를 이용한 프로젝션 광원을 제공하면 리어 프로젝션 디스플레이의 핵심 요소인 엔진 관원으로써 고압수은램프 대체할 수 있으므로 기존 램프에서 발생되는 고열에 없애기 위해서 필요한 냉각팬이 불필요하게 되며 또한 LED의 특성인 단파장 특성을 이용하기 때문에 COLOR구현은 기존 램프에 대비해서 PERFECT하게 되며 CONTRAST등 또한 향상되게 된다.

Claims (1)

1. 정방향 부하가 가해짐에 따라 전자가 에너지 레벨이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동시 해당 에너지의 차에 해당하는 부분에 대응하는 파장의 빛을 발하여 R, G, B 광원중 어느 하나로 사용되는 임의의 반도체가 임의의 소정 영역내에 일정 패턴으로 배열되어 하마의 칩을 형성하고 발광빛은 백색광이 되는 것을 특징으로 하는 멀티 칩 발광다이오드를 이용한 프로젝션 광원.